[发明专利]一种基于切割重排的高斯光束整形系统

摘要

本发明涉及一种高斯光束整形系统，将具有高斯状分布的圆光斑整形成均匀分布的线条形光斑，用于激光扫描加工，提高加工效率和提高表面温度均匀性。本系统由扩束系统、空间切割重排系统和聚焦系统组成。扩束采用具有一定焦距比的负柱面镜和正柱面镜，实现在其中一个方向的扩束。光束空间切割采用一组具有一定旋转角度的平行平板玻璃，切割产生多分子光束并产生一定的偏移。经另外一组具有一定旋转角度的平行平板玻璃重排，将重排后的光斑经柱面镜聚焦，实现均匀分布的线条形光斑。在实际应用中，可通过调节扩束倍率、平行平板玻璃的厚度和聚焦柱面镜的焦距，在目标面上实现具有不同长度的均匀线条型光斑。

主权项

一种基于切割重排的高斯光束整形系统，包括按顺序共光轴设置的扩束系统、空间切割重排系统和聚焦系统；其特征在于：所述扩束系统用于将入射的高斯基模光束，在X或Y轴方向扩束，使沿Z轴传输的光束扩束后的光斑呈椭圆形状，椭圆的长轴方向即为扩束方向，若在Y方向扩束，则长轴方向为Y轴，短轴方向为X轴；若在X方向扩束，则长轴方向为X轴，短轴方向为Y轴；椭圆光斑长轴的尺寸为和短轴的尺寸均为长轴方向和短轴方向横截面上光强曲线包含能量95％所对应两点之间的距离；所述X、Y轴为垂直于光传输方向Z轴平面上的正交坐标轴；所述空间切割重排系统用于将入射的椭圆光斑切割重排为与椭圆长轴方向垂直的N份子光束，其包括两套平板玻璃组，每套平板玻璃组由若干结构和尺寸相同的平板玻璃叠放而成，玻璃片数为N；玻璃片长和宽均大于椭圆长轴；第一平板玻璃组每片玻璃的厚度由扩束后椭圆光斑长轴方向尺寸和所需的切割份数决定，第二平板玻璃组每片玻璃厚度和椭圆短轴方向尺寸相同；第一平板玻璃组的平面法向矢量与长轴方向平行，第二平板玻璃组的平面法向矢量与短轴方向平行；各平板玻璃组光轴均与扩束系统的光轴重合，所述平板玻璃组光轴，是指平行于各平板玻璃且通过平板玻璃组侧面几何中心的轴，在本发明中与Z轴重合；所述平板玻璃组中，各平板玻璃错位叠放而成，第一平板玻璃组叠放方向与椭圆长轴一致，第二平板玻璃组叠放方向与椭圆短轴一致；第一平板玻璃组的各平板玻璃向椭圆长轴正负两个方向逐次对称错位，第二平板玻璃组的各平板玻璃向椭圆短轴正负两个方向逐次对称错位，所述错位以各光学元件的平面几何中心为轴转动一定角度实现的；所述第一平板玻璃组各玻璃片的旋转角度I1(i)以保证分解后的各子光束在椭圆短轴方向的错位位移|D1(i)|大于椭圆短轴方向尺寸，目的为防止子光束的干扰造成能量利用率下降；所述第二平板玻璃组各玻璃片旋转角度I2(i)以保证分解后的各子光束在长轴方向重排所需错位位移|D2(i)|能够使各子光束中心在同一条直线上；所述聚焦系统包括一片柱面镜，其母线垂直于各子光束中心的连线，其平面一端与空间切割重排系统平行，其屈光力子午线方向和椭圆短轴方向平行，用于将空间切割重排系统输出的在椭圆短轴方向重排的子光束，转换成均匀线条形光斑；工作时，激光器输出基模光束，经扩束系统后，形成椭圆型光斑；经空间切割重排系统进行高斯高束的切割和重排，形成在椭圆短轴方向重排的多个子光束；多个子光束经聚焦系统会聚成均匀的线条型光班。